铁道机车车辆焊接技术及应用

铁道机车车辆焊接技术及应用

张晓栋,刘守熠

中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111

摘要：焊接技术是铁路机车车辆制造中最关键的工艺技术，广泛应用于车体结构制造中。本文介绍了目前铁路装备行业中广泛应用的焊接技术以及一些代表未来发展方向的焊接技术与应用情况，希望对了解铁路机车车辆焊接技术具有一定参考意义。

关键词：铁道机车车辆；车体；焊接技术；应用现状

前言：

随着装备制造业的快速发展，铁道机车车辆相关生产制造技术也得到了迅速发展。焊接作为其中的一项关键技术，对铁路机车车辆车体的制造成本、生产效率和质量等方面具有重大影响，研究其技术特点及应用十分有必要。当前国内外铁路车辆制造所用焊接技术有电阻焊、电弧焊以及近年来出现的新的焊接技术，如激光焊、搅拌摩擦焊等。下面将分开对其技术特点和应用进行论述。

1.电阻点焊技术

铁道车辆采用了箱式结构，车体可划分为底架、侧墙、端墙和车顶，在以不锈钢车体为主的制造中大量使用了点焊工艺。所谓点焊，是将待焊接的金属板件重叠，用电极施加压力，并通过电流以利用焦耳热局部熔化焊接区实现焊接材料接合的焊接方法。电阻点焊总体热输入相较于电弧焊要低的多，易于实现自动化，操作简易，在大批量生产中生产效率高，是当前不锈钢车体首选的焊接方法。

由于点焊不是连续焊接，难以保证焊件的水密性，因此对水密性有要求的接头，如车顶板，则通过基于电弧焊接的连续焊接进行施工。电阻点焊属于自动焊接方法，其焊接质量基本上与作业者无关，不能从外观上判定焊接状态，也没有其他简易的无损检测方法，如何确保焊接质量是一项需要解决的课题。在目前的实际操作中，点焊作业前必须制作焊接试样，通过对其进行破坏试验来确认焊接装置状态及条件满足要求以保证焊接质量。

2.电弧焊技术

随着气体保护焊等技术的发展和推广，焊条电弧焊接技术近年来在铁路机车车辆制造中应用急剧减少，目前仅占5%的比例，在修理中应用相对还算较多，焊缝的总长度大概占据了30~50%。但是这一比例目前处于逐年下降的状况。

气体保护电弧焊在焊接时电弧在热量利用率方面相对比较高，操作简单且成本低。七五、八五之后，二氧化碳气体的保护焊技术，在机车车辆工业系统当中得到了非常普遍的应用。当下新造的车辆当中，二氧化碳气体保护焊的焊缝长度，在比例方面超过了75%。南方汇通在ZD240型的铸锭车制造当中，对二氧化碳气体的保护焊技术进行了全方位的使用，焊缝的长度长达98%。北京27车辆厂，针对NX等型号的平车上面，对二氧化碳气体的保护焊技术进行了应用，焊缝的长度超过了90%。

惰性气体保护焊当下在铁路工厂当中也得到了非常广泛的应用。如长春客车厂针对铝合金生产线这一方面，配备了从德国的梅萨尔所引进脉冲450型，以及日本OTC公司所引进的脉冲逆变电源350型，还有奥地利的福尼斯公司所引进的2700型的氩弧焊焊机等70多台机器，用于对人工还有普通设备没有办法完成的工作位置以及部件进行有效焊接。在对氩、氦等这些惰性气体的保护的具体焊接生产过程当中，如果材料板的厚度比较厚，就可以使用氩、氦的混合气体。MIG焊用焊丝左电极，焊接电流大大提高，其熔深大，焊接熔敷速度快，对于中厚板焊接，焊前不需要预热，焊接变形减少的同时接头的耐腐蚀性也得到提高，在生产中应用非常广泛。TIG焊电弧燃烧稳定，可有效隔绝周围空气，能获得高质量的焊缝，但电弧能量密度低，生产效率较低，一般用于修补焊。

通常情况下，电弧焊接质量在很大程度上受作业者技术水平的影响，为了确保焊接质量，要求操作人员取得焊接操作资格方可作业，操作完成后还需通过一系列焊接质量无损检测方法如外观检查等进行检验。

3.搅拌摩擦焊（FSW）技术

搅拌摩擦焊是一种连续的、纯机械的新型固相连接技术，其基本原理就是通过摩擦过程将机械能转化成热能，然后焊接材料和焊丝受热融化并交融在一起。该焊接技术焊接速度非常快，应用范围也十分广泛，焊接变形少，残余应力低，能一次性完成大截面、长焊缝的焊接，易于实现自动化。2016年，首个FSW的相关标准JIS Z 3608已制定，应用该标准，通过技术培训会等，已经开始营造出了推广应用该技术的环境。

2010年7月，国内第一个应用FSW技术的地铁车体在中车株洲电力机车有限公司成功下线，随后株机公司建成了国内第一条轨道车辆铝合金车体部件FSW生产线，主要采用国产FSW设备，该生产线涵盖铝合金板厚2~30mm的侧墙、长地板、枕梁及车钩板的FSW焊接。由于FSW在铝合金焊接上具有无与伦比的优势，国内的城轨及高铁制造厂家均先后建设了FSW生产线。国内外先进的FSW设备及最新的FSW技术也被应用到轨道车辆上，设备均具备激光跟踪、恒压控制等先进的功能，能够实时监控焊接压力、焊接间隙及错边，很好地保证了焊接质量。

目前，国内轨道交通行业FSW应用的部件主要分为6mm以下的薄板和10mm以上的厚板。薄板主要包含侧墙板、长地板等部件，铝合金厚板主要部件有枕梁及车钩板。铝合金薄板FSW焊接接头强度要高于MIG焊接头强度，但当板厚>12mm后，FSW焊接接头强度相比弧焊接头的抗拉强度提高不明显，并随着板厚的增加强度逐渐降低。

4.激光焊技术

激光焊接的速度是传统电阻点焊的4~5倍，早在上世纪70年代开始出现关于激光焊接的报道，众多学者也开始对激光焊接展开深入研究，近年来激光焊得到了快速发展。激光焊是指将光强较高的激光束辐射至待焊工件表面，通过激光与工件材料的相互作用，使材料熔化形成一条焊缝，从而实现连接的一种先进的焊接技术。

激光焊接在车体制造应用中具有以下优点：（1）在蒙皮外表面上无焊接痕迹，车体美观；（2）激光焊接热输入小，焊接变形小，可以大幅提高焊接精度，同时提高整车尺寸精度；（3）机器人搭载激光焊接头作业，实现自动化焊接，提高工作效率，同时提高焊缝质量的稳定性；（4）连续施焊，提高车体强度。

目前，日本、韩国已经开始采用激光焊技术进行轨道交通车辆的生产，日本川崎重工业公司的兵库工厂，在不锈钢铁道车辆的焊接中，引进了激光焊接技术，并应用于车辆侧墙构件的制造，逐步替代了传统的电阻点焊，焊接的精度和作业效率都得到了提高。使用机器人-激光器焊接系统实施作业，将使作业速度提高20%~30%，成本降低20%~30%。德国、法国等欧洲的轨道交通车辆生产厂家也在推广激光焊接技术，国内中车长春客车股份有限公司、中车青岛四方机车车辆股份有限公司、中车株洲电力机车有限公司已经开展了激光焊接不锈钢轨道车辆的研究。中车长春客车股份有限公司采用激光焊技术完成了北京地铁6号线及美国波士顿地铁项目生产，并将在美国洛杉矶地铁项目中采用激光焊技术进行生产，中车青岛四方机车车辆股份有限公司采用激光焊技术完成了北京地铁14号线、青岛地铁等项目中车体产品的生产。

随着焊接技术机械化、自动化程度的提高，我国铁路机车车辆在制造现代化方面不断进步，也让我国铁路机车车辆主机厂在国际竞争中取得了一定的优势。随着科技的发展，传统的焊接技术也将脱胎换骨，尤其是激光焊技术和FSW焊技术未来将会在铁道车辆车体焊接过程中占据主体地位。

参考文献：

[1] 吴志明, 李金龙, 彭章祝. 轨道交通车体用铝合金材料及其焊接技术[J]. 金属加工(热加工), 2021(02): 5-10.

[2] 江角昌邦, 彭惠民. 铁道车辆制造中应用摩擦搅拌接合技术的现状[J]. 国外机车车辆工艺, 2021(05): 40-44.